Una breve historia del tiempo

Una breve historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros es un libro sobre cosmología teórica del físico inglés Stephen Hawking. Se publicó por primera vez en 1988. Hawking escribió el libro para lectores que no tenían conocimientos previos de física.

En Una breve historia del tiempo, Hawking escribe en términos no técnicos sobre la estructura, el origen, el desarrollo y el destino final del Universo, que es objeto de estudio de la astronomía y la física moderna. Habla de conceptos básicos como el espacio y el tiempo, los componentes básicos que componen el Universo (como los quarks) y las fuerzas fundamentales que lo gobiernan (como la gravedad). Escribe sobre fenómenos cosmológicos como el Big Bang y los agujeros negros. Habla de dos teorías principales, la relatividad general y la mecánica cuántica, que los científicos modernos utilizan para describir el Universo. Finalmente, habla de la búsqueda de una teoría unificadora que describa todo en el Universo de manera coherente.

El libro se convirtió en un éxito de ventas y vendió más de 25 millones de copias.

Publicación

A principios de 1983, Hawking se acercó por primera vez a Simon Mitton, el editor encargado de los libros de astronomía en Cambridge University Press, con sus ideas para un libro popular sobre cosmología. Mitton dudaba de todas las ecuaciones en el borrador del manuscrito, que él sentía que apagaría a los compradores en las librerías del aeropuerto que Hawking deseaba alcanzar. Con alguna dificultad, persuadió a Hawking para dejar toda una ecuación excepto una. El propio autor señala en los reconocimientos del libro que se le advirtió que por cada ecuación en el libro, el lector se reduciría a la mitad, por lo que sólo incluye una ecuación única: ${displaystyle E=mc^{2}$. El libro emplea varios modelos complejos, diagramas y otras ilustraciones para detallar algunos de los conceptos que explora.

Contenido

En Una breve historia del tiempo, Stephen Hawking explica una variedad de temas de cosmología, incluido el Big Bang, los agujeros negros y los conos de luz, para el lector no especializado. Su objetivo principal es dar una visión general del tema, pero también intenta explicar algunas matemáticas complejas. En la edición de 1996 del libro y las ediciones posteriores, Hawking analiza la posibilidad de viajar en el tiempo y los agujeros de gusano y explora la posibilidad de tener un Universo sin una singularidad cuántica al comienzo de los tiempos. La edición de 2017 del libro contenía doce capítulos, cuyo contenido se resume a continuación.

Capítulo 1: Nuestra imagen del universo

Modelo centrado en la Tierra de Ptolomeo sobre la ubicación de los planetas, estrellas y Sol

En el primer capítulo, Hawking analiza la historia de los estudios astronómicos, en particular las conclusiones del antiguo filósofo griego Aristóteles sobre la Tierra esférica y un modelo geocéntrico circular del Universo, más tarde elaborado por el astrónomo griego del siglo II Ptolomeo. Hawking luego describe el rechazo del modelo aristotélico y ptolemaico y el desarrollo gradual del modelo heliocéntrico actualmente aceptado del Sistema Solar en los siglos XVI, XVII y XVIII, propuesto por primera vez por el sacerdote polaco Nicolás Copérnico en 1514, validado un siglo después. por el científico italiano Galileo Galilei y el científico alemán Johannes Kepler (quien propuso un modelo de órbita elíptica en lugar de uno circular), y apoyado matemáticamente por el científico inglés Isaac Newton en su libro de 1687 sobre la gravedad, Principia Mathematica.

En este capítulo, Hawking también cubre cómo se estudió y debatió el tema del origen del Universo y el tiempo a lo largo de los siglos: San Agustín y otros se opusieron a la existencia perenne del Universo planteada como hipótesis por Aristóteles y otros teólogos' creencia en su creación en un momento específico del pasado, donde el tiempo es un concepto que nació con la creación del Universo. En la era moderna, el filósofo alemán Immanuel Kant argumentó nuevamente que el tiempo no tuvo comienzo. En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió el Universo en expansión, lo que implica que hace entre diez y veinte mil millones de años, todo el Universo estaba contenido en un lugar singular extremadamente denso. Este descubrimiento trajo el concepto del comienzo del Universo dentro del campo de la ciencia. Actualmente, los científicos utilizan la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica de Albert Einstein para describir parcialmente el funcionamiento del Universo, mientras siguen buscando una Gran Teoría Unificada completa que describa todo en el Universo.

Capítulo 2: Espacio y Tiempo

En este capítulo, Hawking describe el desarrollo del pensamiento científico sobre la naturaleza del espacio y el tiempo. Primero describe la idea aristotélica de que el estado naturalmente preferido de un cuerpo es estar en reposo, y que solo puede moverse por la fuerza, lo que implica que los objetos más pesados caerán más rápido. Sin embargo, el científico italiano Galileo Galilei demostró experimentalmente que la teoría de Aristóteles estaba equivocada al observar el movimiento de objetos de diferentes pesos y concluir que todos los objetos caerían a la misma velocidad. Esto finalmente condujo a las leyes del movimiento y la gravedad del científico inglés Isaac Newton. Sin embargo, las leyes de Newton implicaban que no existe el estado absoluto de reposo o el espacio absoluto como creía Aristóteles: si un objeto está 'en reposo'; o 'en movimiento' depende del marco de referencia inercial del observador.

Hawking luego describe la creencia de Aristóteles y Newton en el tiempo absoluto, es decir, el tiempo se puede medir con precisión independientemente del estado de movimiento del observador. Sin embargo, Hawking escribe que esta noción de sentido común no funciona a la velocidad de la luz o cerca de ella. Menciona el descubrimiento del científico danés Ole Rømer de que la luz viaja a una velocidad muy alta pero finita a través de sus observaciones de Júpiter y una de sus lunas Io, así como las ecuaciones del electromagnetismo del científico británico James Clerk Maxwell que demostraron que la luz viaja en ondas moviéndose a una velocidad fija. Dado que la noción de reposo absoluto fue abandonada en la mecánica newtoniana, Maxwell y muchos otros físicos argumentaron que la luz debe viajar a través de un fluido hipotético llamado éter, siendo su velocidad relativa a la del éter. Esto fue refutado más tarde por el experimento de Michelson-Morley, que mostró que la velocidad de la luz siempre permanece constante independientemente del movimiento del observador. Einstein y Henri Poincaré argumentaron más tarde que el éter no es necesario para explicar el movimiento de la luz, suponiendo que no existe un tiempo absoluto. La teoría especial de la relatividad se basa en esto, argumentando que la luz viaja con una velocidad finita sin importar cuál sea la velocidad del observador.

Masa y energía están relacionadas con la famosa ecuación ${displaystyle E=mc^{2}$, lo que explica que se necesita una cantidad infinita de energía para cualquier objeto con masa para viajar a la velocidad de la luz (3×108m/s). Se desarrolló una nueva forma de definir un metro utilizando la velocidad de la luz. "Eventos" también se puede describir utilizando conos de luz, una representación gráfica espacial que restringe lo que los eventos se permiten y lo que no se basan en el pasado y los futuros conos de luz. También se describe un espacio de 4 dimensiones, en el que 'espacio' y 'tiempo' están intrínsecamente vinculados. El movimiento de un objeto a través del espacio impacta inevitablemente en la forma en que experimenta el tiempo.

La teoría general de la relatividad de Einstein explica cómo el camino de un rayo de luz se ve afectado por la 'gravedad', que según Einstein es una ilusión causada por la deformación del espacio-tiempo, en contraste con Punto de vista de Newton que describía la gravedad como una fuerza que la materia ejerce sobre otra materia. En la curvatura del espacio-tiempo, la luz siempre viaja en un camino recto en el "espacio-tiempo" de 4 dimensiones, pero puede parecer que se curva en el espacio de 3 dimensiones debido a los efectos gravitacionales. Estos caminos en línea recta son geodésicas. La paradoja de los gemelos, un experimento mental en relatividad especial que involucra a gemelos idénticos, considera que los gemelos pueden envejecer de manera diferente si se mueven a velocidades diferentes entre sí, o incluso si viven en diferentes lugares con una curvatura de espacio-tiempo desigual. La relatividad especial se basa en las arenas del espacio y el tiempo donde tienen lugar los eventos, mientras que la relatividad general es dinámica, donde la fuerza podría cambiar la curvatura del espacio-tiempo y que da lugar a un Universo dinámico en expansión. Hawking y Roger Penrose trabajaron en esto y luego demostraron usando la relatividad general que si el Universo tuvo un comienzo hace un tiempo finito en el pasado, entonces también podría terminar en un tiempo finito de ahora en adelante.

Capítulo 3: El universo en expansión

La expansión del universo desde el Big Bang

En este capítulo, Hawking describe primero cómo los físicos y los astrónomos calcularon la distancia relativa de las estrellas a la Tierra. En el siglo XVIII, Sir William Herschel confirmó las posiciones y distancias de muchas estrellas en el cielo nocturno. En 1924, Edwin Hubble descubrió un método para medir la distancia utilizando el brillo de las estrellas variables Cefeidas vistas desde la Tierra. La luminosidad, el brillo y la distancia de estas estrellas están relacionados por una fórmula matemática simple. Usando todo esto, calculó las distancias de nueve galaxias diferentes. Vivimos en una galaxia espiral bastante típica, que contiene un gran número de estrellas.

Las estrellas están muy lejos de nosotros, por lo que solo podemos observar su único rasgo característico, su luz. Cuando esta luz pasa a través de un prisma, da lugar a un espectro. Cada estrella tiene su propio espectro, y dado que cada elemento tiene sus propios espectros únicos, podemos medir los espectros de luz de una estrella para conocer su composición química. Utilizamos los espectros térmicos de las estrellas para conocer su temperatura. En 1920, cuando los científicos estaban examinando los espectros de diferentes galaxias, encontraron que algunas de las líneas características del espectro estelar estaban desplazadas hacia el extremo rojo del espectro. Las implicaciones de este fenómeno venían dadas por el efecto Doppler, y era evidente que muchas galaxias se alejaban de nosotros.

Se asumió que, dado que algunas galaxias se desplazan hacia el rojo, algunas galaxias también se desplazarían hacia el azul. Sin embargo, las galaxias desplazadas hacia el rojo superaban con creces en número a las galaxias desplazadas hacia el azul. Hubble descubrió que la cantidad de corrimiento al rojo es directamente proporcional a la distancia relativa. A partir de esto, determinó que el Universo se está expandiendo y que había tenido un comienzo. A pesar de esto, el concepto de un Universo estático persistió hasta el siglo XX. Einstein estaba tan seguro de un Universo estático que desarrolló la 'constante cosmológica' e introdujo 'antigravedad' fuerzas para permitir que exista un universo de edad infinita. Además, muchos astrónomos también intentaron evitar las implicaciones de la relatividad general y se quedaron con su Universo estático, con una excepción especialmente notable, el físico ruso Alexander Friedmann.

Friedmann hizo dos suposiciones muy simples: el Universo es idéntico dondequiera que estemos, es decir, homogeneidad, y que es idéntico en todas las direcciones en las que miramos, es decir, isotropía. Sus resultados mostraron que el Universo no es estático. Sus suposiciones se probaron más tarde cuando dos físicos de Bell Labs, Arno Penzias y Robert Wilson, encontraron radiación de microondas inesperada no solo de una parte particular del cielo sino de todas partes y en casi la misma cantidad. Así, se demostró que la primera suposición de Friedmann era cierta.

Al mismo tiempo, Robert H. Dicke y Jim Peebles también estaban trabajando en la radiación de microondas. Argumentaron que deberían poder ver el resplandor del Universo primitivo como radiación de microondas de fondo. Wilson y Penzias ya lo habían hecho, por lo que recibieron el Premio Nobel en 1978. Además, nuestro lugar en el Universo no es excepcional, por lo que deberíamos ver el Universo aproximadamente igual desde cualquier otra parte del espacio, lo que respalda Segundo supuesto de Friedmann. Su trabajo permaneció en gran parte desconocido hasta que Howard Robertson y Arthur Walker hicieron modelos similares.

El modelo de Friedmann dio lugar a tres tipos diferentes de modelos para la evolución del Universo. Primero, el Universo se expandiría durante un período de tiempo determinado, y si la tasa de expansión es menor que la densidad del Universo (lo que lleva a la atracción gravitacional), finalmente conduciría al colapso del Universo en una etapa posterior. En segundo lugar, el Universo se expandiría y, en algún momento, si la tasa de expansión y la densidad del Universo se igualaran, se expandiría lentamente y se detendría, lo que llevaría a un Universo algo estático. En tercer lugar, el Universo continuaría expandiéndose para siempre, si la densidad del Universo es menor que la cantidad crítica requerida para equilibrar la tasa de expansión del Universo.

El primer modelo representa el espacio del Universo curvado hacia adentro. En el segundo modelo, el espacio daría lugar a una estructura plana, y el tercer modelo da como resultado una 'forma de silla de montar' curvatura. Incluso si calculamos, la tasa de expansión actual es mayor que la densidad crítica del Universo, incluida la materia oscura y todas las masas estelares. El primer modelo incluía el comienzo del Universo como un Big Bang desde un espacio de densidad infinita y volumen cero conocido como 'singularidad', punto en el que se basa la teoría general de la relatividad (soluciones de Friedmann). en él) también se descompone.

Este concepto del comienzo del tiempo (propuesto por el sacerdote católico belga Georges Lemaître) parecía estar motivado originalmente por creencias religiosas, debido a su apoyo a la afirmación bíblica de que el universo tuvo un comienzo en el tiempo en lugar de ser eterno. Así que se introdujo una nueva teoría, la "teoría del estado estacionario" por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle, para competir con la teoría del Big Bang. Sus predicciones también coincidieron con la estructura actual del Universo. Pero el hecho de que las fuentes de ondas de radio cerca de nosotros sean mucho menores que las del Universo distante, y que haya muchas más fuentes de radio que en la actualidad, resultó en el fracaso de esta teoría y la aceptación universal de la Teoría del Big Bang. Evgeny Lifshitz e Isaak Markovich Khalatnikov también intentaron encontrar una alternativa a la teoría del Big Bang pero fracasaron.

Roger Penrose usó conos de luz y relatividad general para demostrar que una estrella que colapsa podría dar como resultado una región de tamaño cero y densidad y curvatura infinitas llamada agujero negro. Hawking y Penrose demostraron juntos que el Universo debería haber surgido de una singularidad, lo que el propio Hawking desmintió una vez que se tienen en cuenta los efectos cuánticos.

Capítulo 4: El principio de incertidumbre

En este capítulo, Hawking analiza primero la fuerte creencia del matemático francés del siglo XIX Laplace en el determinismo científico, donde las leyes científicas finalmente podrán predecir con precisión el futuro del Universo. Luego, analiza la teoría de la radiación infinita de las estrellas según los cálculos de los científicos británicos Lord Rayleigh y James Jeans, que luego fue revisada en 1900 por el científico alemán Max Planck, quien sugirió que la energía debe irradiarse en paquetes pequeños y finitos llamados cuantos.

Hawking luego analiza el principio de incertidumbre formulado por el científico alemán Werner Heisenberg, según el cual la velocidad y la posición de una partícula no pueden conocerse con precisión debido a la hipótesis cuántica de Planck: aumentar la precisión en la medición de su velocidad disminuirá. la certeza de su posición y viceversa. Esto refutó la idea de Laplace de una teoría completamente determinista del universo. Hawking luego describe el eventual desarrollo de la mecánica cuántica por parte de Heisenberg, el físico austriaco Erwin Schroedinger y el físico inglés Paul Dirac en la década de 1920, una teoría que introdujo un elemento irreductible de imprevisibilidad en la ciencia y, a pesar de las fuertes objeciones del científico alemán Albert Einstein, se ha demostrado que tiene mucho éxito en la descripción del universo excepto por la gravedad y las estructuras a gran escala.

Una representación de una onda de luz

Hawking luego analiza cómo el principio de incertidumbre de Heisenberg implica el comportamiento de la dualidad onda-partícula de la luz (y las partículas en general).

La interferencia de la luz hace que aparezcan muchos colores.

Luego describe el fenómeno de la interferencia en el que múltiples ondas de luz interfieren entre sí para dar lugar a una sola onda de luz con propiedades diferentes a las de las ondas componentes, así como la interferencia dentro de las partículas, ejemplificada por la onda de dos rendijas. experimento. Hawking escribe cómo la interferencia refinó nuestra comprensión de la estructura de los átomos, los componentes básicos de la materia. Mientras que la teoría del científico danés Niels Bohr solo resolvió parcialmente el problema del colapso de los electrones, la mecánica cuántica lo resolvió por completo. Según Hawking, la suma de historias del científico estadounidense Richard Feynman es una buena forma de visualizar la dualidad onda-partícula. Finalmente, Hawking menciona que la teoría general de la relatividad de Einstein es una teoría clásica, no cuántica, que ignora el principio de incertidumbre y que tiene que reconciliarse con la teoría cuántica en situaciones donde la gravedad es muy fuerte, como agujeros negros y el Big Bang.

Capítulo 5: Partículas elementales y fuerzas de la naturaleza

En este capítulo, Hawking traza la historia de la investigación sobre la naturaleza de la materia: los cuatro elementos de Aristóteles, la noción de átomos indivisibles de Demócrito, las ideas de John Dalton sobre la combinación de átomos para formar moléculas, el descubrimiento de J. J. Thomson de los electrones dentro de los átomos, el descubrimiento de Ernest Rutherford del núcleo atómico y los protones, el descubrimiento de James Chadwick de los neutrones y finalmente el trabajo de Murray Gell-Mann sobre quarks aún más pequeños que forman protones y neutrones. Hawking luego analiza los seis 'sabores' diferentes. (arriba, abajo, extraño, encanto, abajo y arriba) y tres "colores" de quarks (rojo, verde y azul). Más adelante en el capítulo analiza los antiquarks, que son superados en número por los quarks debido a la expansión y el enfriamiento del Universo.

Una partícula de la vuelta 1 necesita ser girada todo el camino para mirar de nuevo la misma, como esta flecha.

Hawking luego analiza la propiedad de giro de las partículas, que determina cómo se ve una partícula desde diferentes direcciones. Hawking luego analiza dos grupos de partículas en el Universo en función de su giro: fermiones y bosones. Los fermiones, con un giro de 1/2, siguen el principio de exclusión de Pauli, que establece que no pueden compartir el mismo estado cuántico (por ejemplo, dos protones 'girar hacia arriba' no pueden ocupar la misma ubicación en el espacio). Sin esta regla, las estructuras complejas no podrían existir.

Un protón consta de tres quarks, que son diferentes colores debido al confinamiento de color.

Los bosones o las partículas portadoras de fuerza, con un giro de 0, 1 o 2, no siguen el principio de exclusión. Hawking luego da los ejemplos de gravitones virtuales y fotones virtuales. Los gravitones virtuales, con un giro de 2, transportan la fuerza de la gravedad. Los fotones virtuales, con un giro de 1, transportan la fuerza electromagnética. Hawking luego analiza la fuerza nuclear débil (responsable de la radiactividad y que afecta principalmente a los fermiones) y la fuerza nuclear fuerte transportada por la partícula gluón, que une a los quarks en hadrones, generalmente neutrones y protones, y también une neutrones y protones en núcleos atómicos. Hawking luego escribe sobre el fenómeno llamado confinamiento de color que impide el descubrimiento de quarks y gluones por sí solos (excepto a temperaturas extremadamente altas) ya que permanecen confinados dentro de los hadrones.

Hawking escribe que a temperaturas extremadamente altas, la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil se comportan como una sola fuerza electrodébil, lo que da lugar a la especulación de que a temperaturas aún más altas, la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte también se comportarían como una sola fuerza.. Las teorías que intentan describir el comportamiento de este "combinado" fuerza se llaman Grandes Teorías Unificadas, que pueden ayudarnos a explicar muchos de los misterios de la física que los científicos aún tienen que resolver.

Capítulo 6: Agujeros negros

Un agujero negro, mostrando cómo distorsiona su imagen de fondo a través de lentes gravitacionales

En este capítulo, Hawking analiza los agujeros negros, regiones del espacio-tiempo donde la gravedad extremadamente fuerte impide que todo, incluida la luz, escape de su interior. Hawking describe cómo la mayoría de los agujeros negros se forman durante el colapso de estrellas masivas (al menos 25 veces más pesadas que el Sol) que se acercan al final de su vida. Escribe sobre el horizonte de sucesos, el límite del agujero negro del que ninguna partícula puede escapar al resto del espacio-tiempo. Hawking luego analiza los agujeros negros no giratorios con simetría esférica y los giratorios con simetría axial. Hawking luego describe cómo los astrónomos descubren un agujero negro no directamente, sino indirectamente, al observar con telescopios especiales los poderosos rayos X emitidos cuando consume una estrella. Hawking termina el capítulo mencionando su famosa apuesta realizada en 1974 con el físico estadounidense Kip Thorne en la que Hawking argumentaba que los agujeros negros no existían. Hawking perdió la apuesta cuando la nueva evidencia demostró que Cygnus X-1 era de hecho un agujero negro.

Capítulo 7: Los agujeros negros no son tan negros

Este capítulo analiza un aspecto del comportamiento de los agujeros negros... que Stephen Hawking descubrió en la década de 1970. Según teorías anteriores, los agujeros negros solo pueden volverse más grandes, y nunca más pequeños, porque nada de lo que entra en un agujero negro puede salir. Sin embargo, en 1974, Hawking publicó una nueva teoría que argumentaba que los agujeros negros pueden 'filtrarse'. radiación. Imaginó lo que podría pasar si un par de partículas virtuales aparecieran cerca del borde de un agujero negro. Partículas virtuales brevemente 'tomar prestado' energía del propio espacio-tiempo, luego se aniquilan entre sí, devolviendo la energía prestada y dejando de existir. Sin embargo, en el borde de un agujero negro, una partícula virtual puede quedar atrapada por el agujero negro mientras que la otra escapa. Debido a la segunda ley de la termodinámica, las partículas están 'prohibidas' de tomar energía del vacío. Por lo tanto, la partícula toma energía del agujero negro en lugar del vacío y escapa del agujero negro como radiación de Hawking.

Según Hawking, los agujeros negros deben encogerse muy lentamente con el tiempo y finalmente "evaporarse" debido a esta radiación, en lugar de continuar existiendo para siempre como los científicos habían creído previamente.

Capítulo 8: El origen y el destino del universo

El Big Bang y la evolución del Universo

El principio y el fin del universo se tratan en este capítulo.

La mayoría de los científicos están de acuerdo en que el Universo comenzó en una expansión llamada "Big Bang". Al comienzo del Big Bang, el Universo tenía una temperatura extremadamente alta, lo que impedía la formación de estructuras complejas como las estrellas, o incluso muy simples como los átomos. Durante el Big Bang, un fenómeno llamado "inflación" tuvo lugar, en el que el Universo se expandió brevemente ("inflado") a un tamaño mucho mayor. La inflación explica algunas características del Universo que anteriormente habían confundido mucho a los investigadores. Después de la inflación, el universo continuó expandiéndose a un ritmo más lento. Se volvió mucho más frío, lo que eventualmente permitió la formación de tales estructuras.

Hawking también analiza cómo el Universo podría haber aparecido de manera diferente si hubiera crecido en tamaño más lento o más rápido de lo que realmente lo ha hecho. Por ejemplo, si el Universo se expandiera demasiado lentamente, colapsaría y no habría suficiente tiempo para que se formara la vida. Si el Universo se expandiera demasiado rápido, se habría quedado casi vacío.

Hawking finalmente propone la conclusión de que el universo podría ser finito, pero ilimitado. En otras palabras, puede que no tenga principio ni fin en el tiempo, sino que simplemente exista con una cantidad finita de materia y energía.

El concepto de gravedad cuántica también se analiza en este capítulo.

Capítulo 9: La flecha del tiempo

En este capítulo, Hawking habla sobre por qué el "tiempo real", como llama Hawking al tiempo que los humanos observan y experimentan (en contraste con el "tiempo imaginario", que según Hawking es inherente a las leyes de la ciencia) parece tener una cierta dirección, especialmente del pasado hacia el futuro. Hawking luego analiza tres 'flechas del tiempo' que, a su juicio, dan al tiempo esta propiedad. La primera flecha del tiempo de Hawking es la flecha termodinámica del tiempo: la dirección en la que aumenta la entropía (que Hawking llama desorden). Según Hawking, esta es la razón por la que nunca vemos los pedazos rotos de una copa juntarse para formar una copa completa. La segunda flecha de Hawking es la flecha psicológica del tiempo, por la que nuestro sentido subjetivo del tiempo parece fluir en una dirección, razón por la cual recordamos el pasado y no el futuro. Hawking afirma que nuestro cerebro mide el tiempo de una manera en la que el desorden aumenta en la dirección del tiempo; nunca observamos que funcione en la dirección opuesta. En otras palabras, afirma que la flecha psicológica del tiempo está entrelazada con la flecha termodinámica del tiempo. La tercera y última flecha del tiempo de Hawking es la flecha cosmológica del tiempo: la dirección del tiempo en la que el Universo se expande en lugar de contraerse. Según Hawking, durante una fase de contracción del universo, las flechas termodinámicas y cosmológicas del tiempo no coincidirían.

Hawking luego afirma que la "propuesta sin límites" porque el universo implica que el universo se expandirá durante algún tiempo antes de contraerse nuevamente. Continúa argumentando que la propuesta sin límites es lo que impulsa la entropía y que predice la existencia de una flecha del tiempo termodinámica bien definida si y solo si el universo se está expandiendo, ya que implica que el universo debe haber comenzado en un suave. y ordenado que debe crecer hacia el desorden a medida que avanza el tiempo. Argumenta que, debido a la propuesta sin límites, un universo en contracción no tendría una flecha termodinámica bien definida y, por lo tanto, solo un universo que se encuentra en una fase de expansión puede albergar vida inteligente. Usando el principio antrópico débil, Hawking continúa argumentando que la flecha termodinámica debe estar de acuerdo con la flecha cosmológica para que cualquiera sea observada por la vida inteligente. Esto, en opinión de Hawking, es la razón por la cual los humanos experimentan estas tres flechas del tiempo que van en la misma dirección.

Capítulo 10: Agujeros de gusano y viajes en el tiempo

En este capítulo, Hawking analiza si es posible viajar en el tiempo, es decir, viajar al futuro o al pasado. Muestra cómo los físicos han intentado idear métodos posibles para que los humanos con tecnología avanzada puedan viajar más rápido que la velocidad de la luz o retroceder en el tiempo, y estos conceptos se han convertido en pilares de la ciencia ficción. Los puentes de Einstein-Rosen se propusieron al principio de la historia de la investigación de la relatividad general. Estos "agujeros de gusano" parecerían idénticos a los agujeros negros desde el exterior, pero la materia que entrara se reubicaría en una ubicación diferente en el espacio-tiempo, potencialmente en una región distante del espacio, o incluso hacia atrás en el tiempo. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que tal agujero de gusano, incluso si fuera posible que se formara en primer lugar, no permitiría que pasara ningún material antes de volver a convertirse en un agujero negro normal. La única forma en que un agujero de gusano podría teóricamente permanecer abierto y, por lo tanto, permitir viajes más rápidos que la luz o viajes en el tiempo, requeriría la existencia de materia exótica con densidad de energía negativa, lo que viola las condiciones energéticas de la relatividad general. Como tal, casi todos los físicos están de acuerdo en que los viajes más rápidos que la luz y los viajes hacia atrás en el tiempo no son posibles.

Hawking también describe su propia 'conjetura de protección cronológica', que proporciona una explicación más formal de por qué los viajes en el tiempo más rápidos que la luz y hacia atrás son casi imposibles.

Capítulo 11: La unificación de la física

Los objetos fundamentales de la teoría de cuerdas son cuerdas abiertas y cerradas.

La teoría cuántica de campos (QFT) y la relatividad general (GR) describen la física del Universo con una precisión asombrosa dentro de sus propios dominios de aplicabilidad. Sin embargo, estas dos teorías se contradicen. Por ejemplo, el principio de incertidumbre de QFT es incompatible con GR. Esta contradicción, y el hecho de que QFT y GR no explican completamente los fenómenos observados, han llevado a los físicos a buscar una teoría de la 'gravedad cuántica'. que es internamente consistente y explica los fenómenos observados tan bien o mejor que las teorías existentes.

Hawking es cautelosamente optimista de que una teoría tan unificada del Universo pueda encontrarse pronto, a pesar de los importantes desafíos. En el momento en que se escribió el libro, la "teoría de supercuerdas" había surgido como la teoría más popular de la gravedad cuántica, pero esta teoría y las teorías de cuerdas relacionadas aún estaban incompletas y aún no se habían probado a pesar de un esfuerzo significativo (este sigue siendo el caso a partir de 2021). La teoría de cuerdas propone que las partículas se comportan como 'cuerdas' unidimensionales, en lugar de partículas adimensionales como lo hacen en QFT. Estas cuerdas "vibran" en muchas dimensiones. En lugar de 3 dimensiones como en QFT o 4 dimensiones como en GR, la teoría de supercuerdas requiere un total de 10 dimensiones. La naturaleza de los seis "hiperespacio" Las dimensiones requeridas por la teoría de supercuerdas son difíciles, si no imposibles, de estudiar, dejando innumerables paisajes teóricos de la teoría de cuerdas, cada uno de los cuales describe un universo con diferentes propiedades. Sin un medio para reducir el alcance de las posibilidades, es probable que sea imposible encontrar aplicaciones prácticas para la teoría de cuerdas.

Las teorías alternativas de la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de bucles, también sufren de falta de evidencia y dificultad para estudiar.

Hawking propone así tres posibilidades: 1) existe una teoría unificada completa que eventualmente encontraremos; 2) las características superpuestas de diferentes paisajes nos permitirán explicar gradualmente la física con mayor precisión con el tiempo y 3) no existe una teoría definitiva. La tercera posibilidad se ha soslayado reconociendo los límites establecidos por el principio de incertidumbre. La segunda posibilidad describe lo que ha estado sucediendo en las ciencias físicas hasta ahora, con teorías parciales cada vez más precisas.

Hawking cree que tal refinamiento tiene un límite y que al estudiar las primeras etapas del Universo en un entorno de laboratorio, se encontrará una teoría completa de la Gravedad Cuántica en el siglo XXI que permitirá a los físicos resolver muchos de los problemas actualmente sin resolver. en física.

Conclusión

En este capítulo final, Hawking resume los esfuerzos realizados por los humanos a lo largo de su historia para comprender el Universo y su lugar en él: comenzando por la creencia en espíritus antropomórficos que controlan la naturaleza, seguido por el reconocimiento de patrones regulares en la naturaleza y finalmente Con el avance científico en los últimos siglos, el funcionamiento interno del universo se ha entendido mucho mejor. Recuerda la sugerencia del matemático francés del siglo XIX Laplace de que la estructura y la evolución del Universo podrían eventualmente explicarse con precisión mediante un conjunto de leyes cuyo origen se deja en el dominio de Dios. Sin embargo, Hawking afirma que el principio de incertidumbre introducido por la teoría cuántica en el siglo XX ha puesto límites a la precisión predictiva de las leyes futuras por descubrir.

Hawking comenta que, históricamente, el estudio de la cosmología (el estudio del origen, la evolución y el final de la Tierra y el Universo como un todo) ha estado motivado principalmente por una búsqueda de conocimientos filosóficos y religiosos, por ejemplo, para mejorar entender la naturaleza de Dios, o incluso si Dios existe en absoluto. Sin embargo, para Hawking, la mayoría de los científicos de hoy que trabajan en estas teorías las abordan con cálculos matemáticos y observación empírica, en lugar de hacer preguntas tan filosóficas. En su opinión, la naturaleza cada vez más técnica de estas teorías ha provocado que la cosmología moderna se divorcie cada vez más de la discusión filosófica. No obstante, Hawking expresa la esperanza de que algún día todo el mundo hable de estas teorías para comprender el verdadero origen y la naturaleza del Universo y lograr 'el triunfo final del razonamiento humano'.

Ediciones

• 1988: La primera edición incluyó una introducción de Carl Sagan que cuenta la siguiente historia: Sagan estaba en Londres para una conferencia científica en 1974, y entre las sesiones vagó a una habitación diferente, donde se estaba celebrando una reunión más grande. "Me di cuenta de que estaba viendo una antigua ceremonia: la investidura de nuevos compañeros en la Sociedad Real, una de las organizaciones académicas más antiguas del planeta. En primera fila, un joven en silla de ruedas estaba, muy lentamente, firmando su nombre en un libro que llevaba en sus primeras páginas la firma de Isaac Newton... Stephen Hawking era una leyenda incluso entonces." En su introducción, Sagan agrega que Hawking es el "mejor sucesor" de Newton y Paul Dirac, ambos ex profesores Lucasianos de Matemáticas.

La introducción se eliminó después de la primera edición, ya que Sagan tenía los derechos de autor, en lugar de Hawking o el editor, y el editor no tenía derecho a reimprimirlo a perpetuidad. Hawking escribió su propia introducción para ediciones posteriores.

• 1994, Una breve historia del tiempo – Una aventura interactiva. Un CD-Rom con material de vídeo interactivo creado por S. W. Hawking, Jim Mervis y Robit Hairman (disponible para Windows 95, Windows 98, Windows ME y Windows XP).
• 1996, edición ilustrada, actualizada y ampliada: Esta edición encubierta contenía ilustraciones de color completo y fotografías para ayudar a explicar el texto, así como la adición de temas que no se incluyeron en el libro original.
• 1998 Décimo aniversario: Cuenta con el mismo texto que el publicado en 1996, pero también fue publicado en papelback y tiene sólo unos pocos diagramas incluidos. ISBN 0553109537
• 2005, 2005 Una historia más breve del tiempo: una colaboración con Leonard Mlodinow de una versión abreviada del libro original. Se actualizó de nuevo para abordar nuevas cuestiones que habían surgido debido a un mayor desarrollo científico. ISBN 0-553-80436-7

Película

En 1991, Errol Morris dirigió una película documental sobre Hawking, pero aunque comparten un título, la película es un estudio biográfico de Hawking y no una versión filmada del libro.

Aplicaciones

"El universo de bolsillo de Stephen Hawking: una breve revisión de la historia del tiempo" se basa en el libro. La aplicación fue desarrollada por Preloaded para los editores de Transworld, una división del grupo Penguin Random House.

La aplicación se produjo en 2016. Fue diseñada por Ben Courtney (ahora de Lego) y producida por la veterana productora de videojuegos Jemma Harris (ahora de Sony) y está disponible solo en iOS.

Ópera

La Ópera Metropolitana de Nueva York había encargado una ópera para su estreno en 2015-16 basada en el libro de Hawking. Iba a ser compuesta por Osvaldo Golijov con libreto de Alberto Manguel en una producción de Robert Lepage. La ópera planeada se cambió para tratar un tema diferente y finalmente se canceló por completo.